Optimization and application of a process model of an automated fiber placement process for aerospace applications

Carbon Reinforced polymer laminates have been used extensively in the aerospace industry and their usage has been increased over the decades. Automated processes have recently advanced their way in the manufacturing industry. Automated Fiber Placement(AFP) process is one such automated process for the manufacturing of composite laminates. AFP processes have been developing owing to their degree of automation, accuracy and reduced costs after they have been initially set up. This paper deals with the study of AFP process parameters, their influence on the AFP Process time and optimization of the model by reducing the AFP process time under the constraint of maximum compaction. Best compaction leads to enhanced laminate quality. It is related to AFP process time through it’s dependency with the process parameters. Best compaction is achieved at slower layup velocities and at higher debulking durations but at the expense of AFP process time. AFP process time is computed for various production scenarios and compaction cases. They are compared with a benchmark. Optimal process time is computed using advanced algorithms with the benchmark as a constraint. Basing this as the framework of study, two phases of analysis are conducted. One where pre-determined models with given process parameters are compared with the affordable model to determine the best cases. The second phase is based on developing parameter sets for maximum compaction under constrained optimization of the process time. The study has been extended to a theoretical consideration of a no-debulking scenario which is supposedly assumed to be replaced by alternatives like heated compaction inorder to reduce the overall process time.

I laminati polimerici rinforzati con carbonio sono stati ampiamente utilizzati nell’industria aerospaziale e il loro utilizzo è stato aumentato nel corso dei decenni. I processi automatizzati si sono recentemente fatti strada nell’industria manifatturiera. Posizionamento Automated Fiber Placement (AFP) è uno di questi processi automatizzati per la produzione di laminati compositi. I processi AFP si stanno diffondendo sempre più in virtù del loro elevato grado di automazione, accuratezza nonché per la riduzione dei costi di produzione. Questo documento tratta lo studio dei parametri di processo AFP, la loro influenza sul tempo di processo AFP e l’ottimizzazione del modello riducendo il tempo di processo AFP sotto il vincolo della massima compattazione. La migliore compattazione porta a una migliore qualità del laminato ed è correlata al tempo totale di processo attraverso alcuni parametri del processo stesso. La migliore compattazione si ottiene a velocità di stratificazione più lente e con durate di debulking più elevate ma a scapito del tempo di processo AFP. Il tempo di processo AFP viene calcolato per vari scenari di produzione e casi di compattazione. Vengono confrontati con un benchmark. Il tempo di processo ottimale viene calcolato utilizzando algoritmi avanzati con il benchmark come vincolo. Basandosi su ciò sono state condotte due analisi distinte. Nella prima modelli predeterminati con determinati parametri di processo vengono confrontati con il modello economico per determinare i casi migliori. La seconda modelli si basa sullo sviluppo di set di parametri per la massima compattazione sotto l’ottimizzazione vincolata del tempo di processo. Lo studio è stato esteso a una considerazione teorica di uno scenario senza debulking che si presume venga sostituito da alternative come la compattazione riscaldata per ridurre il tempo di processo complessivo.